第2章 熱化學與能源

第二章熱化學與能源熱化學？熱化學主要是研究化學反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化問題。這里的能量除了熱以外，還包括功。常見功為體積功和電功。學習熱化學有什么用？（1）研究一個化學反應(yīng)發(fā)生的可能性和進行的程度。（2）提高化學反應(yīng)釋放出來的能量的利用率。能源？能量的來源，指能夠提供能量的物質(zhì)或運動形式。這里的能量通常指熱能、電能、光能、化學能、機械能等。能源按來源可分為三大類：（1）來自太陽的能量。包括太陽能、生物質(zhì)能、水能、風能和化石能源等。（2）來自地球本身的能量。如地熱能、核能。（3）來自月球和太陽對地球引力產(chǎn)生的能量，如潮汐能。為什么要研究能源？1、提高能量的利用率。2、開發(fā)廉價、清潔且可再生的能量來源。3、實現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)化。能源與熱化學有什么關(guān)系？1、很多化學反應(yīng)本身就會釋放出大量的能量，化學能是一種重要的能源。2、研究熱化學可以提高化學能的利用率，比如將儲存在燃料中的化學能更多地轉(zhuǎn)變成高品質(zhì)的機械能或電能，更少地轉(zhuǎn)變成低品質(zhì)的熱能。與化學反應(yīng)相關(guān)的幾個基本概念反應(yīng)熱的測量與計算熱力學第一定律與蓋斯定律123本章內(nèi)容化學反應(yīng)熱與焓4系統(tǒng)：成為研究對象的那一部分物質(zhì)和空間。環(huán)境：系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切聯(lián)系的其它物質(zhì)和空間。敞開系統(tǒng)

有物質(zhì)和能量交換封閉系統(tǒng)

只有能量交換一、幾個基本概念1.系統(tǒng)(system)與環(huán)境(surrounding)隔離系統(tǒng)

無物質(zhì)和能量交換2.相(phase)系統(tǒng)中任何物理和化學性質(zhì)完全相同的、均勻部分稱為相。單相系統(tǒng)多相系統(tǒng)相與相之間有明確的界面。幾點說明：1.氣態(tài)混合物均為單相。2.液態(tài)混合物視互溶與否分為一、二、三相。3.固態(tài)混合物有多少種純固體物質(zhì)，就有多少相。Questions101.325kPa，273.15K(0℃)下，H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同時共存時系統(tǒng)中的相數(shù)為多少。2)CaCO3(s)分解為CaO(s)和CO2(g)并達到平衡的系統(tǒng)中的相數(shù)。狀態(tài)：用來描述系統(tǒng)所處的能量水平。如：氣態(tài)，P、V、T一定，則系統(tǒng)的能量水平就一定。狀態(tài)函數(shù)：描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量。常見的狀態(tài)函數(shù)：（1）P、V、T——可測量的物理量（2）U、H、S、G、A——不可測量的物理量3.狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)(statefunction)狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)ΔT=2KΔT=25KΔT=-23K

例如：H2O(298K)H2O(300K)

（始態(tài)）

（終態(tài)）

H2O(323K)B、狀態(tài)改變，其值改變，或其值改變，狀態(tài)改變。

狀態(tài)函數(shù)的變化只與系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，與途徑無關(guān)。C、如果經(jīng)過一系列變化之后系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，則狀態(tài)函數(shù)的變化值為“0”。A、狀態(tài)一定，其值一定，或其值一定，狀態(tài)一定。兩者之間有一一對應(yīng)關(guān)系。狀態(tài)函數(shù)的分類狀態(tài)函數(shù)可分為兩類：廣度性質(zhì)：與物質(zhì)的量有關(guān)的性質(zhì)。強度性質(zhì)：與物質(zhì)的量無關(guān)的性質(zhì)。壓強？溫度？體積？質(zhì)量？試各舉兩例。理想氣體：(1)分子間沒有相互作用力；(2)分子自身沒有體積。溫度不太低，壓力不太高的氣體可視為理想氣體理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT式中p：壓強，Pa;

V：體積，m3

n：氣態(tài)物質(zhì)的量，mol;R：氣體常數(shù)，8.314J/(mol

K)

T：熱力學溫度，K理想氣體狀態(tài)方程4.過程與途徑

系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何的變化稱為過程；

實現(xiàn)一個過程的具體步驟稱途徑。設(shè)想如果你要把20℃的水燒開，“水燒開”是個過程，完成這個過程可以有多種“途徑”：如可以在水壺中常壓燒；也可以在高壓鍋中加壓燒開再降至常壓?？赡孢^程與不可逆過程可逆過程體系經(jīng)過某一過程，由狀態(tài)Ⅰ變到狀態(tài)Ⅱ之后，如果反向變化體系和環(huán)境都完全復(fù)原，這樣的過程稱為可逆過程。它是在一系列無限接近平衡態(tài)下進行的過程，或者說是在推動力和阻力幾乎完全相等的情況下進行的過程。不可逆過程體系經(jīng)過某一過程，由狀態(tài)Ⅰ變到狀態(tài)Ⅱ之后，如果反向變化，體系和環(huán)境不能完全復(fù)原，這樣的過程稱為不可逆過程注意：必須是體系和環(huán)境都完全復(fù)原才可逆！5.化學計量數(shù)一般用化學反應(yīng)計量方程表示化學反應(yīng)中質(zhì)量守恒關(guān)系，通式為：

B稱為B的化學計量數(shù)。規(guī)定：反應(yīng)物

B為負；產(chǎn)物

B為正。例：寫出合成氨反應(yīng)的化學計量方程式并指出各組分的化學計量數(shù)？

N2+3H2=2NH3解：

0=

N2

3H2+2NH3

1–3+26.反應(yīng)進度反應(yīng)進度的單位是摩爾（mol），它與化學計量式的寫法有關(guān)，而跟物質(zhì)無關(guān)。nB(t)為t時刻B的物質(zhì)的量，nB(0)初始時刻B的物質(zhì)的量反應(yīng)進度：=[nB(t)nB(0)]/

B當反應(yīng)按所給化學式的系數(shù)進行一個單位的化學反應(yīng)時,

稱發(fā)生了1mol的化學反應(yīng)，即

=1mol。但反應(yīng)進度與化學計量式的書寫有關(guān)。當反應(yīng)為：?1/2N2(g)+3/2

H2(g)=NH3(g)

=4mol例:

N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)n(始)/mol10300n(t時)/mol

8

24

4反應(yīng)進度:

=[nB(t)nB(0)]/

B=[nN2(t)nN2(0)]/

(N2)

=(8

10)mol/(

1)=2mol=[nH2(t)nH2(0)]/

(H2)

=(24

30)mol/(

3)=2mol=[nNH3(t)nNH3(0)]/

(NH3)

=(4

0)mol/(2)=2mol視頻學習：快樂教育下的美國還能撐多久？二、反應(yīng)熱的測量與計算反應(yīng)熱指化學反應(yīng)過程中系統(tǒng)吸收或放出的熱量。規(guī)定：系統(tǒng)放熱為負，吸熱為正。摩爾反應(yīng)熱指當反應(yīng)進度為1mol時系統(tǒng)吸收或放出的熱量。反應(yīng)熱可在量熱計中精確測量彈式量熱計1.反應(yīng)熱的測量設(shè)有nmol物質(zhì)完全反應(yīng)，所放出的熱量使量熱計與水的溫度從T1上升到T2，水的熱容為C，量熱計的熱容為Cb(J·K-1)，則：Q=－{Q(H2O)+Qb}=－(C(H2O)+Cb)ΔT

實例：例2.

聯(lián)氨燃燒反應(yīng)：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)

+2H2O(l)已知：解：燃燒0.5g聯(lián)氨放熱為試計算在此條件下聯(lián)氨完全燃燒放出的熱量。2.熱化學方程式表示化學反應(yīng)與熱效應(yīng)關(guān)系的方程式稱為熱化學方程式。其標準寫法是：先寫出反應(yīng)方程式，再寫出相應(yīng)反應(yīng)熱，兩者之間用分號或逗號隔開。例如：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)

+2H2O(l)；2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；若不注明T,p,皆指在T=298.15K，p=100kPa下。注意：吸熱Q為正，放熱Q為負；

要注明反應(yīng)溫度、壓力及物質(zhì)所處的狀態(tài)；書寫熱化學方程式時應(yīng)注意：

反應(yīng)熱與反應(yīng)式的化學計量數(shù)有關(guān)；

一般標注的是恒壓熱Qp。并不是所有的反應(yīng)熱都可以實驗測定。例如反應(yīng)：2C(s)+O2(g)=2CO(g)思考：為什么上述反應(yīng)的反應(yīng)熱無法實驗測定？Howtocalculateit?3.反應(yīng)熱的理論計算

Todesigntworeactions:(1)C(s)+O2(g)==CO2(g)Q1

(2)CO(g)+1/2O2(g)==CO2(g)Q2

(1)-(2)得：C(s)+1/2O2(g)==CO(g)Q=Q1-Q22C(s)+O2(g)=2CO(g)的反應(yīng)熱=2(Q1-Q2)三、熱力學第一定律熱力學第一定律的表達式：ΔU=Q+W熱力學第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域的表現(xiàn)形式，其含義是內(nèi)能、熱和功之間可以相互轉(zhuǎn)化，但總的能量不變。熱力學第一定律也可以表述為：第一類永動機是不可能實現(xiàn)第一類永動機一種既不靠外界提供能量，本身也不消耗能量，卻可以源源不斷對外作功的機器，它顯然與能量守恒定律矛盾。1.內(nèi)能系統(tǒng)內(nèi)部能量總和稱內(nèi)能，用U表示。內(nèi)能包括但不限于分子的平動、轉(zhuǎn)動、振動以及電子運動和核運動能。內(nèi)能的特征：狀態(tài)函數(shù)無絕對數(shù)值廣度性質(zhì)由于分子內(nèi)部運動的相互作用十分復(fù)雜，因此目前無法測定內(nèi)能的絕對數(shù)值。2.熱和功系統(tǒng)與環(huán)境因存在溫差而交換的能量稱為熱，用Q表示。熱的符號規(guī)定：

系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱為負。系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外交換的能量都稱為功，用W表示。功的符號規(guī)定：

系統(tǒng)得功為正，系統(tǒng)作功為負。

?

熱和功是系統(tǒng)和環(huán)境交換能量的兩種不同方式。

?

都不是狀態(tài)函數(shù)，其數(shù)值與經(jīng)歷的途徑有關(guān)。

?

功是一種有序能，而熱是一種無序能。熱和功的性質(zhì)3.體積功思考：1mol理想氣體，密閉在1)氣球中，2)鋼瓶中；將理想氣體的溫度提高20oC時，是否做了體積功？答：1)做體積功，2)未做體積功。W=W體+W′由于系統(tǒng)體積發(fā)生變化而與環(huán)境所交換的功稱為體積功W體。其它的功統(tǒng)稱為非體積功W′。4.體積功的計算當外壓發(fā)生變化時當外壓不變時5.蓋斯定律:熱力學第一定律的直接推論化學反應(yīng)熱只與反應(yīng)的始態(tài)或終態(tài)有關(guān)而與途徑無關(guān)

Qp=ΔH;QV=ΔU始態(tài)

C(石墨)+O2(g)終態(tài)

CO2(g)中間態(tài)

CO(g)+?O2(g)即熱化學方程式可像代數(shù)式那樣進行加減運算。①若化學反應(yīng)是在恒壓（或恒容）下一步完成的，在分步完成時，各步也要在恒壓（或恒容）下進行。②要消去某同一物質(zhì)時，不僅要求物質(zhì)的種類相同，其物質(zhì)的聚集狀態(tài)也相同。應(yīng)用條件蓋斯定律示例蓋斯定律告訴我們：若化學反應(yīng)可以加和,則其反應(yīng)熱也可以加和。例4.已知反應(yīng)和的反應(yīng)焓變，計算的反應(yīng)焓變。解：1.恒容反應(yīng)熱

條件：恒容、非體積功=0

ΔU=Q+W

=QV

-pΔV=QV

恒容反應(yīng)熱全部用來改變系統(tǒng)的內(nèi)能?！郠V只與始態(tài)、終態(tài)有關(guān)。條件：恒壓、非體積功=0根據(jù)熱力學第一定律：ΔU=Q+W=Qp-pΔV由此可得

Qp=ΔU+pΔV=U2-U1+p(V2-V1)=(U2+pV2)-(U1+pV1)

令H=U+pV則Qp=H2–H1=ΔHH稱為焓，其物理意義是物系內(nèi)部的能量與外界賦予的壓力能之和。

2.恒壓反應(yīng)熱焓是狀態(tài)函數(shù)，它只與始末狀態(tài)有關(guān)，而與途徑無關(guān)。思考：能否知道焓的絕對數(shù)值？3.恒容反應(yīng)熱與恒壓反應(yīng)熱的關(guān)系已知恒容反應(yīng)熱：QV=ΔU；恒壓反應(yīng)熱：Qp

=ΔU+p(V2–V1)因為ΔV＝∑(Δn)RT/p,所以

Qp

–

QV=∑(Δn)RT對氣相物質(zhì)：只有固態(tài)和液態(tài)的系統(tǒng):

ΔV

0

則

Qp=QV

Qp

–

QV=ΔH

–ΔU=p(V2–V1)Qp

–

QV=ΔH

–ΔU=∑(Δn)RT兩邊同除以反應(yīng)進度

，得例：已知反應(yīng)NH4HS(s)

NH3(g)+H2S(g)求：2.0molNH4HS(s)分解時ΔH

ΔU=?解：∵Δv(g)=1+1

0=2ΔHm

ΔUm=2×8.314×298.15=4958J·mol-1∴2mol分解時

ΔH

ΔU=4958J·mol-1×2mol=9916JQuestion若反應(yīng)C(石墨)+O2(g)→CO2(g)的ΔHm為–393.5kJ·mol–1，則該反應(yīng)的ΔUm

為多？解：因為該反應(yīng)的Δn(g)=0，

所以ΔUm=ΔHm

4.標準摩爾反應(yīng)焓標準態(tài)：氣體的標準態(tài)：100kPa下表現(xiàn)為理想氣體行為的純氣體溶質(zhì)的標準態(tài)：100kPa下，濃度為1.0mol.kg-1，表現(xiàn)出無限稀釋溶液行為的溶質(zhì)。液體或固體的標準態(tài)：100kPa下的純液體或純固體。標準態(tài)對溫度沒有規(guī)定!標準態(tài)下，反應(yīng)進度為1mol的化學反應(yīng)焓變稱為標準摩爾反應(yīng)焓，記作5.標準摩爾生成焓

指定單質(zhì)通常指標準壓力(100kPa)和該溫度下最穩(wěn)定的單質(zhì)。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l)等；

標準狀態(tài)時由指定單質(zhì)生成1mol純物質(zhì)的焓變稱為標準摩爾生成焓，記作

但P是個例外：自然界中P最穩(wěn)定的單質(zhì)為黑磷，但熱力學上卻選擇白磷，主要是因為白磷的結(jié)構(gòu)最簡單。注意：1）同一物質(zhì)不同狀態(tài)，標準生成焓不同。（H2O，g）=-241.8kJ

mol-1

（H2O，l）=-285.8kJ

mol-12）只有最穩(wěn)定單質(zhì)的標準生成焓才是零。（C，石墨）=0kJ

mol-1

（C，金剛石）=1.9kJ

mol-13）同一物質(zhì)在不同溫度下有不同的標準摩爾生成焓4）規(guī)定水合氫離子的標準生成焓為零思考以下哪些反應(yīng)的恒壓反應(yīng)熱不是產(chǎn)物的標準摩爾生成焓(反應(yīng)物和生成物都是標準態(tài))?(1)(2)(3)答：（2）、（4）不是標準摩爾反應(yīng)焓的測定測定原理：由于Qp

=ΔH所以可以通過在標準狀態(tài)下測定恒溫恒壓下的反應(yīng)熱得到反應(yīng)標準摩爾反應(yīng)焓。標準摩爾反應(yīng)焓的計算穩(wěn)定單質(zhì)反應(yīng)物

標準狀態(tài)生成物

標準狀態(tài)

rHm

fHm(p)

fHm(r)示例：解:例5.試計算鋁熱反應(yīng)的反應(yīng)計量式為：已知298.15K時Fe2O3和Al2O3的標準摩爾生成焓分別為–824.2和–1675.7kJ/mol。例6.

已知乙炔、二氧化碳和水(l)的標準摩爾生成焓(298.15K)分別為：226.73、-393.509、-285.83kJ/mol，試計算1mol乙炔在標準態(tài)下完全燃燒放出的能量解：226.730-393.509-285.83注意事項

物質(zhì)的聚集狀態(tài);應(yīng)用物質(zhì)的標準摩爾生成焓計算標準摩爾反應(yīng)焓變時需要注意：

公式中化學計量數(shù)與反應(yīng)方程式相符;

數(shù)值與化學計量式寫法有關(guān)；

溫度的影響（不同溫度下的數(shù)據(jù)不能混用！）思考：

如何提高一個化學反應(yīng)化學能的利用率？視頻學習：當你不想讀書了，就看看這個視頻能源

一、能源概述什么是能源？能源是指一切富含能量的物質(zhì)(如煤炭石油)和過程(如風和潮汐)。能源是社會經(jīng)濟建設(shè)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。一次能源第一類能源（來自地球以外）太陽輻射能煤，石油，油頁巖，天然氣，草木燃料，沼氣和其它由于光和作用而固定下來的太陽能。宇宙射線，流星和其它星際物質(zhì)帶進地球大氣的能量第二類能源（來自地球內(nèi)部）地球熱能地震，火山活動地下熱水和地熱蒸氣熱巖層原子能鈾，釷，硼，氘第三類能源（來自地球和其它天體的相互作用）潮汐能二次能源電能，氫能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火藥等能源的分類能源按被利用的程度分：常規(guī)能源，如煤炭、石油、天然氣、薪柴燃料、水能等；新能源，如太陽能、氫能、地熱能、潮汐能、生物質(zhì)能等，還有核能。按能否再生分可再生能源，即不會隨它本身的轉(zhuǎn)化或人類的利用而越來越少，如水能、風能、潮汐能、太陽能等；非再生能源，它隨人類的利用而越來越少，如石油、煤、天然氣、核燃料等。按對環(huán)境的污染分清潔能源，即對環(huán)境無污染或污染很小的能源，如太陽能、水能、海洋能等；非清潔能源，即對環(huán)境污染較大的能源，如煤、石油等。能源發(fā)展經(jīng)歷的幾個階段

時間時期從火的發(fā)現(xiàn)到18世紀產(chǎn)業(yè)革命柴草時期18世紀中葉煤炭時期——蒸汽機20世紀初石油時期化石能源的枯竭新能源時期

二、傳統(tǒng)能源

煤、石油和天然氣等是世界上最重要的三種化石燃料。為什么我們把煤、石油、天然氣稱為化石燃料呢？“化石”二字意味著什么？煤、石油、天然氣能被稱為化石燃料是因為它們的形成經(jīng)歷了一個漫長的地質(zhì)演化過程，這個過程類似于化石的形成過程?；剂?/p>

化石能源是指上古時期遺留下來的動植物的遺骸在地層下經(jīng)過上萬年的演變形成的能源。如煤(植物化石轉(zhuǎn)化),石油(動物體轉(zhuǎn)化),天然氣等。

化石能源是一種碳氫化合物或其衍生物。它由古代生物的化石沉積而來，是一次能源?；剂喜煌耆紵?，都會散發(fā)出有毒的氣體，卻是人類必不可少的燃料?；茉此奶烊毁Y源有煤炭、石油和天然氣。世界化石燃料探明可采儲量煤碳（GT）石油（GT）天然氣（TM3）世界總計1043.86世界總計137.3世界總計14.11俄羅斯241.01沙特25.71俄羅斯5.62美國240.562伊拉克13.42伊朗2.13中國114.53科威特13.33卡塔爾0.714澳大利亞90.944阿聯(lián)酋12.74阿聯(lián)酋0.535德國60.075伊朗12.25沙特0.536印度69.596委內(nèi)瑞拉9.36美國0.467南非55.337前蘇聯(lián)7.87委內(nèi)瑞拉0.388波蘭42.18墨西哥7.38阿爾及利亞0.369美國3.89尼日利亞0.3410中國3.310伊拉克0.3111中國0.17我國的能源結(jié)構(gòu)以煤為主能源是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。目前，世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類的礦物能源為主，不但嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，而且礦物能源不可再生，能源枯竭已成為共識。

煤炭開采海上石油開采平臺嚴重的生態(tài)破壞巨大的能源危機：已開采800億噸石油，按現(xiàn)在的開采速度，地球上已探明的1770億噸石油儲量僅夠開采50年;已探明的173萬億立方米天然氣僅夠開采63年；已探明的9827億噸煤炭還可用300年到400年;已探明的鈾儲量約490萬噸，釷儲量約275萬噸，全球441座核電站每年消耗6萬多噸濃縮鈾，僅夠使用100年左右。世界各國水能開發(fā)也已近飽和，風能、太陽能尚無法滿足人類龐大的需求。為緩解和解決能源危機，科學家提出資源與能源最充分利用技術(shù)和環(huán)境最小負擔技術(shù)。新能源與新能源材料是兩大技術(shù)的重要組成部分。新能源的發(fā)展必須靠利用新原理來發(fā)展新能源，同時還必須靠新材料的開發(fā)與利用才能使新系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并提高其利用效率，降低成本。發(fā)展新能源材料是解決能源危機的根本途徑。

三、新能源新能源種類太陽能風能海洋能氫能生物質(zhì)能地熱核能太陽能地球每年接受太陽的總能量為1.8×1018kWh，相當于全球能耗的1.2萬倍，無污染，是永久性能源。但是，太陽輻射到地球的能量密度太低，只有1.4kW/m2，還受氣候影響。太陽能主要利用形式：

1）熱能直接利用：如利用鏡面或反射槽將太陽光聚焦在收集器上，由中間介質(zhì)吸熱產(chǎn)生蒸汽，推動氣輪機組發(fā)電；

2）光伏效應(yīng)：太陽能電池。太陽能的利用

真空管集熱太陽能熱水器；“溫室效應(yīng)”太陽能電池太陽能汽車風能太陽能在地面上約2％轉(zhuǎn)變?yōu)轱L能，全球風力用于發(fā)電功率可達11.3萬億kW，實際可開發(fā)利用的只有1~5%。風車材料是關(guān)鍵。－個2.5MW的風車，轉(zhuǎn)子葉片直徑要80ｍ，包括傳動箱的總重達30t；風車高近百米，重幾百噸。風車葉片要有足夠的強度和抗疲勞性能，目前主要采用玻璃鋼或碳纖維增強塑料，正向增強木材發(fā)展。海洋能潮汐的發(fā)生是地球受月球和太陽引力的影響，漲潮時海水向岸邊沖去，落潮時又退回海中，每天有規(guī)律地往復(fù)運動。受海岸、港灣地形的影響，海面的高度在高潮和低潮時有很大差別?？梢杂脕硗苿訖C械裝置，又可以用來發(fā)電。世界最大的潮汐電站朗斯潮汐電站位于法國大西洋濱海圣馬洛市附近，裝機容量240兆瓦，年發(fā)電量5.44億千瓦時，是當今世界最大潮汐電站。工程于1961年1月開工，1966年8月第一臺機組發(fā)電，1967年12月竣工。中國最大的潮汐電站江廈潮汐電站是中國目前利用潮汐能發(fā)電的最大試驗電站。該站位于浙江省